СПОСОБ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 2006 года по МПК C25F3/16 

Изобретение относится к области химико-физической обработки поверхностного слоя металлических изделий из титана и его сплавов с целью изменения их поверхностных свойств.

Поверхностные явления - выражение особых свойств поверхностных слоев, т.е. тонких слоев вещества на границе соприкосновения тел (сред, фаз). Эти свойства обусловлены избытком свободной энергии поверхностного слоя, особенностями его структуры и состава. Молекулярная природа и свойства поверхности могут коренным образом изменяться в результате образования поверхностных мономолекулярных слоев или фазовых (полимолекулярных) пленок. Любое "модифицирование" поверхностного (межфазного) слоя обычно приводит к усилению или ослаблению молекулярного взаимодействия между контактирующими фазами (лиофильность и лиофобность). Лиофильность означает хорошее (часто полное) смачивание, малое межфазное натяжение, устойчивость поверхностей к взаимному слипанию. Лиофобность - противоположное понятие.

При контакте двух твердых тел или твердого тела с жидкой и газовой средами свойства поверхности определяют условия таких явлений, как адгезия, смачивание, трение. Физические или химические превращения в поверхностных слоях сильно влияют на характер и скорость гетерогенных процессов - коррозионных, каталитических, мембранных и др. Поверхностные явления в значительной мере определяют пути получения и долговечность важнейших строительных и конструкционных материалов, в частности, производимых в металлургии.

Смачивание (лиофильность) является необходимым условием при поверхностном насыщении титана алюминием и другими элементами (диффузионное насыщение металлами). Изделие, поверхность которого обогащена этими элементами, приобретает ценные свойства, к числу которых относятся высокая окалиностойкость, коррозионностойкость, повышенная износостойкость, твердость и свариваемость.

Несмачиваемость (лиофобность) незащищенного металла повышает его стойкость к агрессивным средам.

В патенте (патент РФ 2232648, МПК B 05 D 5/08, публ. 2004.07.20) указывается, что свойства поверхностей проявляются по-разному. Обусловлено это тем, что поверхности изготавливают из самых разных материалов, и они имеют в большинстве случаев различную структуру. В частности, наиболее лиофобными свойствами обладают металлы, выбранные из группы, включающей бериллий, магний, скандий, титан, ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, галлий, иттрий, цирконий, ниобий, молибден, технеций, рутений, рений, палладий, серебро, кадмий, индий, олово, лантан, церий, празеодим, неодим, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий, лютеций, гафний, тантал, вольфрам, рений, осмий, иридий, платину, золото, таллий, свинец, висмут, прежде всего титан, алюминий, магний и никель либо соответствующий сплав названных металлов.

Большое влияние на поверхностные свойства оказывают карбидные и оксидные пленки. Особенно плотные пленки карбида и оксида наблюдаются у химически активных металлов, например титана и циркония.

Известен способ изменения поверхностных свойств сплавов на основе титана (У.Цвингер, «Титан и его сплавы», перевод с немецкого, Москва, «Металлургия», 1979 г., стр.326), в котором автор утверждает, что «оксидный слой, всегда существующий на поверхности титана, чаще всего не смачивается металлами. При повышенных температурах в расплавах смачивание происходит в случаях предварительного отжига титана в вакууме, когда образуется безоксидная поверхность. При изгибах таких образцов образуются трещины».

Недостатком данного способа подготовки поверхности к металлизации является сложно и трудно осуществимый механизм обработки многотонных слитков, слябов, крупногабаритных заготовок. Кроме того, в способе не учитывается влияние на ту же смачиваемость поверхности другого элемента внедрения - углерода. Установлено (Курапов В.Н., Трубин А.Н., Курапова Л.А., Савельев В.В. «Изучение особенностей распределения углерода в титановых сплавах методом радиоактивных индикаторов (РАИ), Сборник «Металловедение и обработка титановых и жаропрочных сплавов». Москва, 1991 г.; В.В.Тетюхин, В.Н.Курапов, А.Н.Трубин, Л.А.Курапова, «Исследование слитков и полуфабрикатов титановых сплавов с применением метода радиоактивных индикаторов (РАИ)» Научно-технический журнал «Титан», № 1(11), 2002 г.), что при нагреве сплавов углерод транспортируется к поверхностным слоям из нижележащих объемов, но не покидает кристаллическую решетку титана, в отличии от стали, где при высокотемпературном нагреве углерод образует летучее соединение по формуле:

C_(Тв)+O2_(газ)→СO2_(газ).

Следовательно, в отличие от стали, где происходит обезуглероживание поверхности, в титане происходит лишь его перераспределение в поверхностных слоях. Также установлено, что подобное перераспределение углерода в поверхностных слоях заготовок и изделий происходит при резании металла, что является следствием его локального нагрева и деформации. Это перераспределение наблюдается при различных видах резания, включая обработку зубилом и напильником, даже при самых «мягких» режимах, например точении.

В отличие от перераспределения углерода в поверхностных слоях при высокотемпературном нагреве, которое видно на фотопленке невооруженным взглядом, в случае резания металла перераспределение наблюдается при увеличении. Это перераспределение в самом поверхностном слое более хаотично. В глубине металла выявляются эквивалентные механическим и тепловым нагрузкам, возникающие при обработке материала, волнообразные кривые перераспределения углерода в поверхностном слое, что делает совершенно нестабильным физико-химические свойства поверхности после резания. Эта нестабильность, как показано выше, не устраняется вакуумным отжигом.

Известен способ очистки поверхности кремния (Патент РФ № 1814439, публ. 1995.02.27, МПК H 01 L 21/306). Сущность изобретения: кремниевые пластины обрабатывают в жидкостном травителе. Образовавшийся окисный слой и поверхность кремния удаляют при комнатной температуре травлением в дифториде ксенона. При этом достигается высокая степень обезуглероживания поверхности. Затем пластины кремния без соприкосновения с атмосферой переносят в вакуумную камеру и удаляют адсорбированные на поверхности фториды нагревом и выдержкой при 600°С в сверхвысоком вакууме. Для перекристаллизации амортизированного слоя на поверхности кремния может быть проведен отжиг при более высокой температуре.

Данный способ дорогостоящий и может быть использован при обработке деталей малых геометрических размеров.

Известен способ поверхностной химико-термической модификации узлов трения (Патент РФ № 2044104, публ. 20.09.1995 г., МПК С 23 С 8/40). Способ включает взаимодействие с реакционной жидкостью с последующей термообработкой.

К недостаткам данного способа относится то, что он используется для повышения износостойкости конструкционных материалов, а в качестве модификатора поверхности используется фторированный углерод, отличающийся высокой лиофобностью, поверхность практически не смачивается.

Известен способ горячего алюминирования изделий из титана и его сплавов (SU 160068, опубл. 14.01.1964) - прототип, при котором изделия подвергают травлению растворами серной (35-65%) или соляной (30-37%) кислоты при температуре 50-70°С продолжительностью 30-40 мин или при комнатной температуре в течение 2-3 ч с получением на них гидридной пленки вместо оксидной, после чего изделия погружают в расплавленный алюминий при температуре 800-850°С.

Недостатком данного способа является свойства гидридной пленки, имеющей хрупкую, пористую природу, с большим количеством микротрещин и полостей, которые могут проникать на глубину 0,2-0,3 мм, образуя между основным металлом и покрытием участки с пористой структурой. Кроме того, в процессе контактирования расплавленного алюминия с гидридами титана происходит их разложение с выделением водорода, что предопределяет образование в алюминиевом покрытии пор. Сочетание этих факторов резко снижает стойкость полученного покрытия.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение лиофильности поверхностного слоя заготовок и изделий из сплавов на основе титана за счет удаления поверхностного слоя, содержащего оксиды и карбиды, без использования механической обработки и отжига.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является активизация взаимодействия поверхности металлических изделий к контактирующим средам и веществам, что придает им качественно новые свойства - высокую окалиностойкость и коррозионностойкость, высокие антифрикционные свойства.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе модификации поверхностного слоя изделий из титана и его сплавов, включающей физико-химическую обработку поверхности изделий и алитирование, физико-химическую обработку поверхности изделий производят электрохимическим полированием в электролите следующего состава: хлорная кислота - 1 часть; уксусная кислота - 9 частей, при температуре 30-35°С, плотности тока 2 А/дм², напряжении 60 В, в течение 3 мин.

При электрохимической обработке под действием электрического тока в электролите происходит растворение материала анода (поверхностного слоя изделия), причем быстрее всего растворяются выступающие части поверхности, что приводит к ее выравниванию. При этом материал, в т.ч. оксидная или карбидная пленка, снимается со всей поверхности, в отличие от механического полирования, где снимаются только наиболее выступающие части. Электролитическое полирование позволяет получить поверхности весьма малой шероховатости. Важное отличие от механического полирования - отсутствие каких-либо изменений в структуре обрабатываемого материала, что не вызывает перераспределения углерода по толщине изделия и очаговую концентрацию его на поверхности.

Происходит полное удаление поверхностного слоя, содержащего оксиды и карбиды, и поверхность изделий, изготовленных из химически активных металлов, приобретает высокую лиофильность, позволяющую проводить высококачественную химико-термическую обработку поверхностного слоя, например алитирование.

Предлагаемый способ опробован при алитировании образцов титанового сплава ВТ8 в расплаве алюминия марки А85 в течение 4-х часов при температуре 850°С. Было изготовлено по четыре образца с различными способами подготовки поверхности, и были получены следующие результаты (табл.):

Табл.№Способ подготовки поверхностиКачество алитирования1Тонкое точениеОтсутствие налипания алюминия на поверхности.2Механическое полированиеОчаговое налипание (тонким слоем приблизительно на 42-57% поверхности).3Электрохимическое полирование в электролите следующего состава:
хлорная кислота - 1 часть,
уксусная кислота - 9 частей.
При температуре электролита - 30-35°С,
плотности тока - 2 А/дм²,
напряжении - 60 B,
в течение 3 мин.Налипание алюминия по всей поверхности.*

*Локальное определение алюминия в плоскости, перпендикулярной оси образца, показало:

а) его равномерное по окружности проникновение вглубь образца,

б) выявило диффузионную зону обогащения алюминием титанового образца,

в) обнаружило на поверхности образца зону растворяемого в алюминии титана.

Таким образом, устранение поверхностного слоя, обогащающегося углеродом (из глубины металла) и кислородом из атмосферы после любой механической обработки заготовок и деталей из титана и его сплавов электрополированием, является простым и надежным способом активизации взаимодействия контактирующих металлов при металлизации. Изобретение позволяет при незначительных материальных и трудовых затратах перевести лиофобную поверхность в лиофильную. Активизация поверхности позволяет, например, улучшить сцепление при диффузионном легировании поверхности с металлом, увеличить скорость диффузии атомов внедряемого металла в кристаллическую решетку заготовок и изделий, что придает их поверхностям качественно новые эксплуатационные качества, в частности:

- высокую окалиностойкость и коррозионностойкость - покрытие из алюминия снижает скорость окисления титановых сплавов при температуре 800-900°С в 30-100 раз. Это происходит в результате образования на поверхности покрытия слоя γ-Al₂O₃ (Э.М.Лазарев и др., Окисление титановых сплавов, М., Наука, 1985 г., стр.119);

- высокие антифрикционные свойства, т.к. коэффициент трения алюминия значительно ниже, чем у титановых сплавов.

Изобретение относится к области химико-физической обработки поверхностного слоя металлических изделий из титана и его сплавов с целью изменения их поверхностных свойств. Способ включает физико-химическую обработку поверхности изделий и алитирование, при этом физико-химическую обработку поверхности изделий производят электрохимическим полированием в электролите следующего состава: хлорная кислота - 1 часть; уксусная кислота - 9 частей, при температуре 30-35°С, плотности тока 2 А/дм², напряжении 60 В, в течение 3 мин. Технический результат: активизация взаимодействия поверхности металлических изделий к контактирующим средам и веществам, высокая окалиностойкость и коррозионностойкость, высокие антифрикционные свойства. 1 табл.

Способ модификации поверхностного слоя изделий из титана и его сплавов, включающий физико-химическую обработку поверхности изделий и алитирование, отличающийся тем, что физико-химическую обработку поверхности изделий производят электрохимическим полированием в электролите следующего состава: хлорная кислота - 1 часть; уксусная кислота - 9 частей, при температуре 30-35°С, плотности тока 2 А/дм², напряжении 60 В в течение 3 мин.